Forscher entdecken neues Material für optisch gesteuertes magnetisches Gedächtnis

Forscher der Pritzker School of Molecular Engineering (PME) der Universität Chicago haben unerwartete Fortschritte bei der Entwicklung eines neuen optischen Speichers erzielt, der Computerdaten schnell und effizient speichern und darauf zugreifen kann. Durch die Untersuchung eines komplexen Materials bestehend aus Mangan, Wismut und Tellur (MnBi₂Du₄) stellten die Forscher fest, dass sich die magnetischen Eigenschaften des Materials als Reaktion auf Licht schnell und einfach veränderten. Dies bedeutet, dass ein Laser verwendet werden könnte, um Informationen in den magnetischen Zuständen von MnBi zu kodieren₂Du₄.

„Dies zeigt, wie die Grundlagenforschung den Weg für neue Denkweisen über technische Anwendungen ebnen kann“, sagte Shuolong Yang, Assistenzprofessor für Molekulartechnik und Hauptautor der neuen Studie. „Wir begannen mit der Motivation, die molekularen Details dieses Materials zu verstehen und stellten schließlich fest, dass es bisher unbekannte Eigenschaften besitzt, die es sehr nützlich machen.“ »

In einem Artikel veröffentlicht in Wissenschaftliche FortschritteYang und seine Kollegen zeigten, wie Elektronen in MnBi₂Du₄ Konkurrenz zwischen zwei gegensätzlichen Zuständen: einem topologischen Zustand, der für die Kodierung von Quanteninformationen nützlich ist, und einem lichtempfindlichen Zustand, der für die optische Speicherung nützlich ist.

Ein topologisches Rätsel lösen

In der Vergangenheit MnBi₂Du₄ MTI wurde auf sein Potenzial als magnetischer topologischer Isolator (MTI) untersucht, ein Material, das sich im Inneren wie ein Isolator verhält, an seinen Außenflächen jedoch Elektrizität leitet. Für einen idealen MTI im 2D-Limit entsteht ein Quantenphänomen, bei dem ein elektrischer Strom in einem zweidimensionalen Fluss entlang seiner Kanten fließt. Diese „elektronischen Autobahnen“ haben das Potenzial, Quantendaten zu kodieren und zu transportieren.

Während Wissenschaftler vorhersagten, dass MnBi₂Du₄ Sollte in der Lage sein, eine solche Elektronenautobahn zu beherbergen, war es schwierig, mit dem Material experimentell zu arbeiten.

„Unser ursprüngliches Ziel war es zu verstehen, warum es so schwierig war, diese topologischen Eigenschaften in MnBi zu erhalten₂Du₄„, fragte Yang. „Warum gibt es dort nicht die vorhergesagte Physik?“

Um diese Frage zu beantworten, wandte sich Yangs Gruppe modernsten Spektroskopiemethoden zu, die es ihnen ermöglichen, das Verhalten von Elektronen in MnBi sichtbar zu machen₂Du₄ in Echtzeit auf ultraschnellen Zeitskalen. Sie verwendeten zeit- und winkelaufgelöste Photoemissionsspektroskopie, die im Yang-Labor entwickelt wurde, und arbeiteten mit der Gruppe von Xiao-Xiao Zhang an der University of Florida zusammen, um zeitaufgelöste magnetooptische Kerr-Effekt-Messungen (MOKE) durchzuführen, die die Beobachtung des Magnetismus ermöglichen.

„Diese Kombination von Techniken lieferte uns nicht nur direkte Informationen darüber, wie sich Elektronen bewegten, sondern auch darüber, wie ihre Eigenschaften an Licht gekoppelt waren“, erklärte Yang.

Zwei gegensätzliche Staaten

Als die Forscher ihre Spektroskopieergebnisse analysierten, wurde klar, warum MnBi₂Du₄ verhielt sich nicht wie ein gutes topologisches Material. Es gab einen quasi-2D-elektronischen Zustand, der mit dem topologischen Zustand um Elektronen konkurrierte.

„Es gibt eine völlig andere Art von Oberflächenelektronen, die die ursprünglichen topologischen Oberflächenelektronen ersetzen“, sagte Yang. „Aber es stellt sich heraus, dass dieser quasi-2D-Zustand tatsächlich eine andere, sehr nützliche Eigenschaft hat. »

Der zweite elektronische Zustand zeigte eine enge Kopplung zwischen Magnetismus und externen Lichtphotonen, was für empfindliche Quantendaten nicht nützlich war, aber genau die Anforderungen an einen effizienten optischen Speicher erfüllte.

Um diese potenzielle Anwendung von MnBi weiter zu untersuchen₂Du₄Yangs Gruppe plant nun Experimente, bei denen sie die Eigenschaften des Materials mithilfe eines Lasers manipulieren wollen. Sie glauben, dass ein optischer Speicher MnBi verwendet₂Du₄ könnte um Größenordnungen effizienter sein als heutige herkömmliche elektronische Speichergeräte.

Yang wies auch darauf hin, dass ein besseres Verständnis des Gleichgewichts zwischen den beiden elektronischen Zuständen auf der Oberfläche von MnBi möglich sei₂Du₄ könnte seine Fähigkeit verbessern, als MTI zu fungieren und bei der Quantendatenspeicherung nützlich zu sein.

„Vielleicht könnten wir lernen, das Gleichgewicht zwischen dem ursprünglichen, theoretisch vorhergesagten Zustand und diesem neuen quasi-2D-elektronischen Zustand anzupassen“, sagte er. „Dies könnte durch die Kontrolle unserer Synthesebedingungen möglich sein. »